Х射线管材壁厚偏心测量装置

冯义浩+等

摘 要：介绍了可在管材挤出线上测量管材壁厚的装置。该装置具有1套Х射线成像装置、1套光学外径测量装置和1套旋转机构。其中，Х射线成像装置包含Х射线管和Х射线图像传感器；光学外径测量装置包含可见光源、光学准直器和光学图成像传感器；旋转机构包含伺服系统和齿轮传动装置。整套装置可直接测量管材壁最薄处的厚度和位置，有助于快速定位和纠正管材的偏心问题。

关键词：Х射线图像传感器；光学图像传感器；伺服系统；偏心度

中图分类号：TH878.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.014

在汽车、化工等很多行业，都要用到橡胶或塑料管材。这些材料可通过以下方法生产：固态的原材料在挤出机的螺杆推送下进入螺筒，在螺筒的热环境中变成黏稠状流体，并在螺杆的挤压作用下，流体从机头出口挤出，形成管材。管材的壁厚可通过调节机头出口的间隙控制。在完成挤出后，管材截面应具有理想的形状，即外圆和内圆的直径应控制在公差范围内，同时，两个圆心应重合。实际上，管材尺寸总会存在公差，外圆与内圆的圆心会存在一定的偏离，即一定存在一定的偏心度。

管壁厚和偏心度是管材生产中很重要的质量参数，需要对这些参数进行测量和监控。为了测定壁厚，可利用Х射线测量的方法。利用Х射线照射管材截面，可得到管材的截面图像，通过分析该图像可得到管材的壁厚。该测量方法的前提是Х射线管和管材的距离保持不变，但在生产中，该距离常发生变化。如图1所示，由于管材的位置改变，导致左边的测量结果壁厚1a、壁厚1b与右图测量结果壁厚2a、壁厚2b不同，进而产生了测量误差。

为了确保管材与射线管的距离发生变化后不影响测量精度，应测得管材的偏心度，可在相互垂直的两个方向上各安装1套此装置。在测量管材位置的同时，可利用管材上4个点的壁厚信息，通过数学运算推导出管材的偏心。因此，应将2套Х射线成像装置安装在相互垂直的2个方向上，比如SIKORA公司的X-RAY 2000系列产品即可采用这种方案，具体如图2所示。但是数学推导出来的偏心度与真实的偏心度仍存在差异。在极端情况下，该差异会超过测量公差的允许范围。此外，该方案的成本比单套Х射线成像方案高1倍。

为了完善上述类型的装置，本装置采用了1套Х射线装置，

并在与Х射线光路平行且靠近的平面上放置了1套光学外径测量装置确保测量距离发生变化后不影响测量精度。此外，通过旋转机构定位和测量管材壁厚最薄处和最厚处，不需要采用数学推导的方式就能直接得到管材壁厚的偏心度，且成本比采用两套Х射线的测量方案低很多。

导致壁厚测量的差异

1 测量装置组成

如图3所示，本装置具有1套Х射线成像装置（图3中左侧），该装置包括1个Х射线发射管和1个Х射线图像传感器。采用Х射线照射管材可将管材的截面图像显示在Х射线图像传感器上。为了解决因测量距离改变而影响测量准确度的问题，在与Х射线光路平行且接近重合的平面上放置了1套光学外径测量装置（图3中右侧，近似认为该装置与Х射线测量装置测量管材在同一个截面），其由可见光源（一般为激光二极管）、光学准直器和光学图像器件组成。可见光源发出的光线经过光学准直器后变成平行光，平行光经过管材后会被遮挡一部分，

未被遮挡的部分照射在光学成像器件上会显示管材外径的轮廓图像，该轮廓的尺寸便是管材外径。该装置可测量管材外径，且测量结果不受管材位置的影响。通过测量管材外径值，可标定管壁厚度的测量结果，从而得到管壁厚度的准确值，且该结果与管材位置无关。

为了直接测量管材壁厚偏心的大小，本装置为上述壁厚偏心测量装置安装了1套旋转装置（图3中未给出，仅示意该装置的旋转轴）。该旋转装置可使测量装置在±90°的范围内绕着旋转轴往复旋转。该角度范围可覆盖管材最薄处，从而直接测得管材的偏心度。旋转装置由伺服和齿轮传动系组成。

2 检测原理

图4为Х射线图像传感器上获取壁厚信息的方法和光学外径测量的方法。图4中左侧图像中的横坐标是以像素为单位的位置坐标，纵坐标是Х射线的光强。选择Х射线中的3条特征光线a，b，c分析。其中，光线a与管材外壁相切，光线b与管材内壁相切，光线c通过管材中心，且a，b，c近似平行。未穿过管材的光线直接照射在Х射线图像传感器上，可测得其光强为I0；穿过管材的射线在Х射线图像传感器上测得的光强

I=I0e-μT. （1）

式（1）中：μ为线吸收系数；T为Х射线穿过管材路径的长度。

由此可见，T越大则I越小。在图4中可以看到，光线a的光强对应着管材截面图像中I0开始减小的突变点，其位置坐标为P4.从光线a到光线b之间的光线穿过管材的路径越来越长，光强越来越小，呈现出单调减的趋势。光线b穿过管材的路径为最大值L1，因此，光线b的光强对应着管材截面图像中的最小光强Imin，其位置坐标为P3.从光线b到光线c之间的光线穿过管材的路径越来越短，因此，光强越来越大，呈现出单调增的趋势。光线c穿过管材的路径为L2+L3，其光强介于Imin与I0之间，在图像的中间区域中呈现出一个极大值。光线c左侧的光线及其右侧的光线在图像上呈现出对称的关系，因此，通过相同的方法可找到P2和P1点。图4中的位置坐标P4与P3的差值便是管材右侧的壁厚信息，而位置坐标P2与P1的差值便是管材左侧的壁厚信息。壁厚信息需要乘以系数才能得到真实壁厚，而本装置利用如下公式计算管材右侧的真实壁厚：

. （2）

式（2）中：P4-P3和P4-P1分别为管材的壁厚和外径信息；t和D分别为管材的真实壁厚和外径。

外径D是通过图4右侧图像中光学图像传感器测得的P6和P5点的位置得到的，具体公式为：

. （3）

式（3）中：p为光学传感器的像素。

因此，可将上述公式变换为如下公式便可得到管材的真实壁厚，该结果与管材到Х射线图像传感器的距离没有关系：

. （4）

对于偏心度这项重要指标，必须通过测量截面的某个角度管壁厚数据才能得到。引入旋转机构后，测量装置旋转到某一角度时，可测量管壁最薄处和最厚处的大小。测得此数据后，经过简单的运算就可直接得到管材壁厚的偏心度。测量装置的转动角度应>± 90°。测量装置位于图5中左侧图像所示的角度时，Х射线图像中得到的壁厚信息分别为P2-P1和P4-P3.测量装置在旋转机构的作用下顺时针旋转，其测得此两处壁厚信息会发生变化，前者会逐渐增大，后者会逐渐减小。当测量腔15顺时针旋转到某个角度时，测量的壁厚信息P2-P1为最大值，而P4-P3为最小值，即在这个角度测量到的为管材9最厚处和最薄处的大小。因此，根据此两值可得到管材的偏心度。相比于采用2套Х射线成像系统的固定式测量装置，本装置测量得到的偏心度结果更为直接和准确。

参考文献

[1]卜详秋，黄靖，闫传新，等.提高橡胶挤出质量措施的研究[J].世界橡胶工业，2000，27（1）.

[2]杨福家.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]刘贵民.无损检测技术[M].北京：国防工业出版社，2006.

〔编辑：张思楠〕

X-ray Tube Wall Thickness Eccentricity Measurement Platform

Feng Yihao， Xu Xingjian， Gong Jie， Liu Dajiang

Abstract： This article introduces a platform to measure the wall thickness， eccentricity of rubber tubes on tubing extrusion lines. A platform consists of an X-ray imaging system， an optical outer diameter measuring instrument， and a turning mechanism. The X-ray imaging system comprises an X-ray tube and an X-ray image detector； the optical outer diameter measuring system comprises a visible light source， a collimator， and an image sensor； and the turning mechanism is composed of a servo system and a spur gear drive. This platform can be used to directly measure the location and thickness of the thinnest position of a tube， thus facilitates locating and correcting pipe eccentricity.

Key words： X-ray image sensor； optical image sensor； servo system； eccentricity

文章编号：2095-6835（2015）19-0016-02